JP4427949B2 - Solid-state imaging device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子、特に、受光センサ部上に光の集光効率を高めるための井戸が設けられてなる固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、画素を構成する例えばフォトダイオードからなる複数の受光センサ部上に、高屈折率層が低屈折率層中に埋め込まれてなる井戸が設けられ、井戸の上部からの入射光のうち臨界角より大きい入射角をもつ入射光を、高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射させることで、受光センサ部への光の集光効率を高めるようにした構成が知られている(特許文献1参照)。
【0003】
このような構成を有する固体撮像素子、例えばCMOS型固体撮像素子(CMOSセンサ)の構成を図12に示す。
尚、図示の例ではCMOS型固体撮像素子の1画素分の断面図を示している。
このCMOS型固体撮像素子30は、素子分離領域32で分離された半導体基板31内の所定の領域に光を受光する受光センサ部33が形成され、受光センサ部33上の所定の位置には絶縁膜34を介して転送ゲート35、導電プラグ36、配線層37が層間絶縁膜38中に形成されてなる。
【0004】
配線層37は図示の例では2層(371及び372)に形成されており、配線層371及び372間は導電プラグ36により接続されている。最上層の配線層372の上方には、層間絶縁膜38上にパッシベーション膜39、平坦化膜40を介してカラーフィルタ41が形成され、カラーフィルタ41上の受光センサ部33と対応する位置にはオンチップレンズ42が形成されてなる。
【0005】
そして、受光センサ部33上の層間絶縁膜38中に、この受光センサ部33とオンチップレンズ42間をつなぐようにパッシベーション膜39の下端まで井戸43が形成され、この井戸43内には例えば層間絶縁膜38より高い屈折率(例えばn=2.0)を有する高屈折率層(プラズマSiN膜)44が埋め込まれてなる。尚、45はエッチングストップ膜である。
【0006】
このような構成のCMOS型固体撮像素子30では、例えばオンチップレンズ42を介して井戸43内に入射された光(図中矢印X)が、受光センサ部33に到達するまで高屈折率層44と層間絶縁膜38との界面にて全反射を繰り返して受光センサ部33へと導かれることとなる。これにより、井戸43内に入射された光を極力漏らすことなく受光センサ部33へと入射させることができる。
【0007】
このような固体撮像素子の製造方法、特にその井戸43の形成方法を図13〜図15に示す。
先ず、図13Aに示すように、素子分離領域32で分離された半導体基板31内の所定の領域内に入射光を受光する受光センサ部33を形成し、受光センサ部33上に絶縁膜34を形成した状態から説明する。
【0008】
次に図13Bに示すように、絶縁膜34を介して所定の位置に転送ゲート35を形成し、受光センサ部33に対応する部分には、例えば減圧CVD法によりエッチングストッパ膜(例えばSiN膜)45を形成する。
このエッチングストッパ膜45は、後述する受光センサ部33上の層間絶縁膜38に井戸43を形成する工程(図14D参照)の際に、層間絶縁膜38に対して高いエッチング選択比が確保されている。
【0009】
次に、図13Cに示すように、転送ゲート35、エッチングストッパ膜45、素子分離領域31を覆って全面に層間絶縁膜38を形成し、表面の平坦化処理を行った後、導電プラグ36、配線層37を形成する。 図示の例では、配線層37は2層構造(371,372)で形成されるので、先ず層間絶縁膜38中の所定の位置に導電プラグ36を形成した後、平坦化された層間絶縁膜38上に受光センサ部33上の領域を除いて1層目となる配線層371を形成する。次に、この配線層371を覆って全面に再び層間絶縁膜38を形成し、表面の平坦化処理を行った後、所定の位置に導電プラグ36を形成し、前述したように受光センサ部33上の領域を除いて層間絶縁膜38上に2層目となる配線層372を形成する。そして、配線層372を覆って全面に再び層間絶縁膜38を形成しこの層間絶縁膜37を平坦化処理する。
このようにして2層構造の配線層37(371,372)が形成される。
【0010】
次に、図14Dに示すように、層間絶縁膜38上にレジスト膜(図示せず)を形成し、公知のリソグラフィ技術を用いてレジスト膜を井戸形成用のパターンのレジストマスクに形成した後、このレジストマスクを介して例えば異方性ドライエッチングにより層間絶縁膜38をエッチング除去し、受光センサ部33上の対応する位置に井戸(所謂開口)43を形成する。
異方性ドライエッチングに用いられる反応ガスとしては、例えば ガス、Arガス、 ガス等を用いることができる。
【0011】
次に、図14Eに示すように、レジストマスクを除去し、井戸43を含んで層間絶縁膜38上の全面に層間絶縁膜38よりも高い屈折率を有する高屈折率層を形成する。この高屈折率層としては、例えば高密度プラズマCVD法を用いたSiN膜(所謂プラズマSiN膜)44を形成する。
【0012】
次に、図15Fに示すように、例えばCMP法又はエッチバック法等を用いてプラズマSiN膜44を層間絶縁膜38の表面まで除去して平坦化処理を行う。
【0013】
次に、図15Gに示すように、層間絶縁膜38、井戸43内に埋め込まれてなるプラズマSiN膜44を含んで全面に、パッシベーション膜39、平坦化膜40、カラーフィルタ41を順に形成し、カラーフィルタ41の受光センサ部33と対応する位置に、即ち井戸44の上部にオンチップレンズ42が形成される。
このようにして、集光効率を高める構成を有するCMOS型固体撮像素子30が形成される。
【0014】
【特許文献1】
特開2000−150845号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなCMOS型固体撮像素子30においては、配線層37が多層に形成されるため(図示の例では第1の配線層371及び第2の配線層372)、配線層37をすべて形成した後に最表面層より受光センサ部33へと井戸(開口)43を形成すると(図14D参照)、井戸43の深さhが深く形成されてしまう(例えばh=5μm)。
また、近年の微細化の要求に伴い、例えばこのようなCMOS型固体撮像素子で微細化を図ろうとした場合、画素自体がさらに縮小化されてくるので井戸43の径(幅)dはさらに小さく形成されることとなる。 従って、非常に高いアスペクト比を有する井戸43が形成されてしまうこととなる。
【0016】
このように、高いアスペクト比を有する井戸43が形成されると、次の工程(図14E参照)にて、例えば高密度プラズマCVD法等によりSiN膜44を井戸43内に埋め込んだ際に、図16に示すように井戸43内に空洞(所謂ボイド)46が形成されるといった問題が発生する。
【0017】
このような問題が発生するのは、井戸43内にSiN膜44を埋め込む際に高密度プラズマCVD法を用いた場合、井戸43の入り口付近での埋積物の生成が井戸43の奥の領域に比べて早くなるためである。
これにより、井戸43の入り口付近が除々に塞がれてきて、成膜種となるラジカルの井戸43の内部への供給が少なくなり、井戸43の入り口付近が完全に塞がって、井戸43の内部に空洞(ボイド)46が形成されてしまうこととなる。
【0018】
このように、井戸43内において空洞46が形成されると、空洞46により反射や屈折が生じるので、集光効果が悪くなったり感度特性にバラツキが生じたりしてしまう。
【0019】
また、従来では、受光センサ部33内の界面準位を低減するためや結晶格子の乱れを修復して白点の発生を抑制するために、例えばアニール処理によってプラズマSiN膜44中に含有されている水素を受光センサ部33へと供給するようにしているが、空洞46が形成された場合は、プラズマSiN膜44の体積がその分減少するため、受光センサ部33への水素の供給率が低下することとなり、白点の発生を抑制させる効果が低減してしまう。
【0020】
今後は、配線構造をさらに多層にしないと(例えば5層〜7層)、多画素化及び素子サイズの微細化の要求に対応することができなくなるので、これに伴い井戸43はさらにアスペクト比が高く形成されることとなり、SiN膜44の埋め込み性がさらに悪化することが考えられる。
【0021】
このように井戸43内に空洞46が形成される問題は、上述したようなCMOS型固体撮像素子(CMOSセンサ)30ばかりでなく、例えばCCD固体撮像素子においても画素の微細化に伴いアスペクト比が高くなることから、同様に生じることが考えられる。
【0022】
本発明は、上述の点に鑑み、配線層を多層化した場合や画素を微細化した場合でも、高い集光効率で受光センサ部に光を入射させることができる固体撮像素子及びその製造方法を提供するものである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像素子は、受光センサ部上に、入射光を高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射させて受光センサ部に集光させるために、高屈折率層が低屈折率層中に埋め込まれてなる井戸が設けられ、この井戸が径の異なる複数の層により構成され、これら複数の層のうち互いに隣接する層において、下層の上部径よりも上層の下部径が小さく形成されてなる構成とする。
【0024】
本発明に係る固体撮像素子によれば、井戸が径の異なる複数の層で構成されているので、各層の深さが浅くなっていて高屈折率層を良好に埋め込むことが可能になり、空洞を生じないようにすることができる。また、複数の層のうち互いに隣接する層において、下層の上部径よりも上層の下部径が小さいので、各層間の段差部では下層が広くなり、この段差部で不要な反射や屈折が生じないことから、受光センサ部に充分に集光することができる。
【0025】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、受光センサ部上に、入射光を高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射させて受光センサ部に集光させるために、高屈折率層が低屈折率層中に埋め込まれてなる井戸が設けられた固体撮像素子を製造する方法であって、表面を覆って前記低屈折率層を形成し、前記低屈折率層に開口を形成し、前記開口に前記高屈折率層を埋め込む工程を複数回行うことにより、前記井戸を形成する。
【0026】
本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、低屈折率層中に開口を形成し、この開口に高屈折率層を埋め込む工程を複数回行って井戸を形成するので、各開口の深さを浅くして高屈折率層を良好に埋め込むことが可能となる。これにより、埋め込まれている高屈折率層中に空洞がなくなる。
【0027】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態として、本発明をCMOS型固体撮像素子(CMOSセンサ)に適用した場合の概略構成を図1に示す。
尚、図示の例ではCMOS型固体撮像素子の1画素に対応する断面を示している。
本実施の形態に係るCMOS型固体撮像素子1は、素子分離領域3で分離された半導体基板2内の所定の領域に入射光を受光する受光センサ部4が形成され、受光センサ部4上の所定の位置には絶縁膜5を介して転送ゲート6、後述する配線層と接続される導電プラグ7が層間絶縁膜8中に形成される。
【0028】
配線層9は図示の例では2層(第1の配線層91及び第2の配線層92)に形成されており、配線層91及び92間は導電プラグ7により接続されている。最上層の配線層92の上方には、層間絶縁膜8上にパッシベーション膜10、平坦化膜11を介してカラーフィルタ12が形成され、カラーフィルタ12上の受光センサ部4と対応する位置にはオンチップレンズ13が形成される。
【0029】
受光センサ部4上には、この受光センサ部4とオンチップレンズ13間をつなぐようにパッシベーション膜10の下端まで井戸14が形成され、この井戸14内には層間絶縁膜8より高い屈折率(n=2.0)を有する高屈折率層(例えば高密度のプラズマCVD法によるプラズマSiN膜)15が埋め込まれてなる。尚、16は層間絶縁膜(例えばSiO2 膜)8との間で高い選択比を有するエッチングストップ膜(例えばSiN膜)である。
これによって、入射光の集光効率を高めるようにした構造を有するCMOS型固体撮像素子1が構成される。
【0030】
本実施の形態では、特に、井戸14が複数の層で形成された構成とする。
本実施の形態では、井戸14が例えば2つの層14A,14Bで形成された構成とする。層14Aの上面は、例えば配線層91の下の、破線で示す平坦化された層間絶縁膜8の上面と同一面上となるようにして形成される。また、層14Bの上面は、例えばパッシベーション膜10の下の平坦化された層間絶縁膜8の上面と同一面上となるように形成される。
【0031】
このように構成することで、例えば従来のような深い1つの穴に高屈折率層44が埋め込まれて井戸43が形成されているのではなく(図12参照)、穴に高屈折率層15が埋め込まれた層14A,14Bを複数有して井戸14が形成されているので、各層14A,14BでのプラズマSiN膜15の埋め込み性は、従来のプラズマSiN膜の埋め込み性に比べて良好なものとなり、プラズマSiN膜15中に空洞が生じることがなくなる。
【0032】
ところで、このように複数の層14A,14Bにより井戸14が形成されてなるので、例えば層間でのずれの問題が懸念される。
例えば、リソグラフィ技術を用いて2つ目の層14B形成用のレジストマスクを形成する際、1つ目の層14Aとの間で重ね合わせずれが生じた場合、図2に層間付近の拡大図を示すように、垂直方向に連続する層14A及び14Bの側壁における層14A,14Bの接続部20にて段差21が形成されてしまう。
【0033】
このように、各層14A,14B間の接続部20にて段差21が形成された場合、例えば井戸14の上部から入射してきた光(図中矢印X)は、その内部に埋め込まれたプラズマSiN膜15から層間絶縁膜8へと向かって入射するため、入射角によっては光が段差21で屈折して層間絶縁膜8内へと進んだり(図中矢印Y)、光が段差21で全反射して井戸14内を上方に向かって進んで表面から外部に拡散されてしまう(図中矢印Z)。若しくは、井戸14の表面と上層(例えばパッシベーション膜10)との界面で再び全反射して井戸14内に再び戻る。
このように、段差21が形成されることにより、入射された光の受光センサ部4への集光性が低減して集光効率が低下してしまうことは明らかである。
【0034】
そこで、本実施の形態においては、隣接する層14A,14Bの径を異なるようにする。即ち、図3に示すように、下層14Aの上部径Adよりも上層14Bの下部径Bdを小さく形成する。これにより、前述した集光効率の低下を改善することができる。
この場合、接続部20に段差を有するが、接続部20では下層の上部径Adの方が広くなっているため、図2に示したような不要な反射や屈折は生じない。
【0035】
このように、下層14Aの上部径Adよりも上層14Bの下部径Bdを小さく形成するには、その分マスクの径を小さくすればよい。このとき、リソグラフィ工程で生じてしまうずれの量は最大でも0.1μm程度であるので、例えば上層14Bを形成する際のリソグラフィー工程の際、その下部径Bdが下層14Aの上部径Adよりも0.2μm(0.1×2)小さくなるように制御すればよい。
これにより、上述したような、各層14A,14B間の接続部20で生じる段差21を回避できる。
【0036】
本実施の形態の固体撮像素子1によれば、例えば従来のような深い1つの穴に高屈折率層が埋め込まれて井戸が形成されてなるのではなく、穴に高屈折率層15が埋め込まれた層14A,14Bを複数有して井戸14が形成されてなるので、各層14A,14BでのプラズマSiN膜15の埋め込み性は、従来の1つの層47でのプラズマSiN膜の埋め込み性に比べて良好なものとなる。これにより、プラズマSiN膜15中に空洞が生じない埋め込み性の良好な井戸を有する固体撮像素子を提供できる。
【0037】
また、各層14A,14B間(接続部20)において、上層14Bの下部径Bdが下層14Aの上部径Adよりも小さく形成されているので、接続部20において不要な反射や屈折を発生せず、集光効率が低下されることのない固体撮像素子を提供できる。
【0038】
また、受光センサ部4内の界面準位を低減するためや結晶格子の乱れを修復して白点の発生を抑制するために、例えばアニール処理によってプラズマSiN膜15中に含有されている水素を受光センサ部4へと供給する際に、井戸14内のプラズマSiN膜15に空洞がなく充分な体積を有するので、このプラズマSiN膜15から受光センサ部4への充分な量の水素を供給することができ、白点の発生を抑制させる効果を充分に発揮させることができる。
【0039】
また、井戸内に空洞が生じた場合では、井戸内での高屈折率層のつきまわり(カバレージ)が悪く、高屈折率層が剥がれ易くなっていたが、本実施の形態では、井戸14内に空洞が生じないので、井戸14内での高屈折率層15のカバレージを良好にすることができる。
【0040】
上述した実施の形態においては、井戸14を構成する複数の層14A,14Bのうち少なくとも1つの層の側壁がテーパー形状に形成された構成とすることもできる。
例えば、図4に示すように、上述した実施の形態において、最上部に形成された層14Bの側壁をテーパー形状とした場合は、例えば図1に示した構成と比較して井戸14内へ光を取り込み易くすることができる。また、層14B内でのプラズマSiN膜15の埋め込み性がさらに向上される。
【0041】
上述した実施の形態においては、井戸14が2つの層14A,14Bより形成された構成としたが、他の実施の形態として、井戸14が例えば3つの層14A,14B,14Cにより形成されてなる構成を図5に示す。
本実施の形態では、例えば各層14A,14B,14Cの上面が、それぞれ第1の配線層91下の破線で示す平坦化された層間絶縁膜8の上面と同一面上、第2の配線層92下の破線で示す平坦化された層間絶縁膜8の上面と同一面上、パッシベーション膜10の下の平坦化された層間絶縁膜8の上面と同一面上となるように形成される。即ち、各層14A,14B,14Cの上面と平坦化された層間絶縁膜8の上面がそれぞれ同一面上となるように形成される。
尚、その他の部分は図1の構成と同様であるので対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略している。
【0042】
このような構成とした場合は、各層14B,14Cが浅くなって、各層14B,14C内でのプラズマSiN膜15の埋め込み性が向上するので、図1に示した構成に比べてさらに井戸14内の埋め込み性が向上する。
【0043】
また、例えば図6に示すように、前述した図5に示す構成において、層14B,14Cの側壁をそれぞれテーパー形状とした場合は、前述した作用効果に加えて、受光センサ部4からオンチップレンズ13へと上方へ向かって形成される各層14A,14B,14Cの径(上部径)が除々に小さくなることを防止できる。また、層14B,14C内でのプラズマSiN膜15の埋め込み性が向上し、さらに井戸14内の埋め込み性が向上される。
【0044】
次に、本発明の固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を図7〜図11を用いて説明する。
本実施の形態では、図1に示したCMOS型固体撮像素子を製造する方法を示す。尚、図示の例では、CMOS型固体撮像素子の1画素に対応する断面図を示し、図1と対応する部分には同一符号を付している。 先ず、図7Aに示すように、素子分離領域3で分離された半導体基板2内の所定の領域(素子形成領域)内に入射光を受光する受光センサ部4を形成し、受光センサ部4上に絶縁膜5を形成する。
【0045】
次に、図7Bに示すように、受光センサ部4上に絶縁膜5を介して転送ゲート6、エッチングストッパ膜16を形成する。
ここでエッチングストッパ膜16としては、次のエッチングストッパ膜16上層間絶縁膜8に開口141を形成する際に、SiO2 膜からなる層間絶縁膜8に対して高いエッチング選択比が確保できるSiN膜が用いられる。このSiN膜は例えば減圧CVD法を用いて形成することができる。
【0046】
次に、転送ゲート6、エッチングストッパ膜16、素子分離領域2を含んで全面に層間絶縁膜8を形成し、さらにこの層間絶縁膜8上にレジスト膜(図示せず)を形成する。そして、公知のリソグラフィ技術を用いてレジスト膜を開口141形成用のパターンのレジストマスクに形成した後、このレジストマスクを介して異方性ドライエッチングにより層間絶縁膜8をエッチング除去する。
その後、レジストマスクを除去することにより、図7Cに示すように、層間絶縁膜8に開口141が形成された構造となる。
異方性ドライエッチングは平行平板型のエッチャで処理し、反応ガスとしては、例えば ガス、Arガス、 ガス等を用いることができる。このような反応ガスを用いた場合、層間絶縁膜8とエッチングストッパ膜16との間で高い選択比が確保できる。
【0047】
この際、前述したように、受光センサ部4上に形成されたエッチングストッパ膜16は層間絶縁膜8との間で高い選択比が確保されているため、層間絶縁膜8のエッチングはエッチングストッパ膜16に達したところで停止され、受光センサ部4の表面に影響を与えることはない。また、例えば開口141の深さ14Ah を各画素毎にバラツキなく均一に形成することができる。
これにより、後述する配線層9を形成する前に開口141を形成している分、従来のような配線層を全て形成した後に開口を形成する場合と比較して、開口141の深さ14Ahを浅く形成できる。即ちアスペクト比の低い開口141が形成される。
【0048】
次に、図8Dに示すように、例えば等方性ドライエッチングにより開口141内に露出しているエッチングストッパ膜16を除去した後、開口141を含んで層間絶縁膜8上の前面に層間絶縁膜8より高い屈折率を有する高屈折率層15、例えば高密度プラズマCVD法によるSiN膜(プラズマSiN膜)15を形成する。
尚、エッチングストッパ膜16を除去する際の等方性エッチングは、例えばダウンフロープラズマによるケミカルドライエッチを用いることができる。
この際、上述したように、開口141の深さ14Ahは浅く形成されているので、開口141内に空洞が形成されることなく良好にプラズマSiN膜を埋め込むことができる。
【0049】
次に、図8Eに示すように、例えばCMP法又はエッチバック法等を用いてプラズマSiN膜15を層間絶縁膜8の表面までエッチング除去する。
この際、プラズマSiN膜15が層間絶縁膜8上に残存しないようにエッチング除去を行う必要がある。これは、プラズマSiN膜15が層間絶縁膜8上に残存した場合、入射光がこのプラズマSiN膜15内を多重反射して隣接する画素へと入り込んで影響を及ぼす虞があるためである。
ここで、例えばCMP法を用いてプラズマSiN膜15のエッチング除去を行った場合は、プラズマSiN膜15が残存することなく層間絶縁膜8の上面が平坦化されるので、例えば次の工程で配線層を形成する際に再び平坦化処理を行う必要がない。
これにより、プラズマSiN膜15が埋め込まれた層14Aが形成される。
【0050】
次に、図9Fに示すように、導電プラグ7、配線層9を形成する。
先ず層間絶縁膜8中の所定の位置に導電プラグ7を形成し、平坦化された層間絶縁膜8上に1層目となる配線層91を形成する。そして、配線層91を含んで全面に再び層間絶縁膜8を形成し、平坦化処理を行った後、所定の位置に導電プラグ7を形成し、層間絶縁膜8上に2層目となる配線層92を形成する。そして、配線層92を含んで全面に再び層間絶縁膜8を形成し、この層間絶縁膜8を平坦化処理する。このようにして2層構造の配線層9(第1の配線層91及び第2の配線層92)が形成される。
尚、本実施の形態では配線層9を2層構造としたが、例えば3層,4層,5層,6層,7層と配線層9が何層にも増えた場合はこのような工程が繰り返される。
【0051】
次に、層間絶縁膜8上にレジスト膜(図示せず)を形成し、リソグラフィー技術を用いてレジスト膜を開口142形成用のパターンのレジストマスクに形成する。
この際、開口142形成用のパターンは、例えばリソグラフィー工程におけるずれ量(最大でも0.2μm)に対応して、その下部径14Bdが前の工程(図7C参照)で形成された下の開口141の上部径14Adよりも小さくなるように形成する。
ここで、各開口141,142の開口径には0.2μm程度の差が生じることになるが、このように差が0.2μmと僅かであるので、例えば開口141の形成時に用いたレジストマスクと同一のマスクパターンを用いることができる。即ち、リソグラフィー工程での制御のみで開口径を調整することが可能である。
そして、このレジストマスクを介して異方性ドライエッチングにより層間絶縁膜8をエッチング除去する。
その後、レジストマスクを除去することにより、図9Gに示すように、層間絶縁膜8に開口142が形成される。
【0052】
この際、下層14A内のプラズマSiN膜15がエッチングストッパとして働く。これは、異方性ドライエッチングに用いられる反応ガスとして、上述したと同様な ガス、Arガス、 ガス等を用いることにより、層14A内のプラズマSiN膜15とエッチングされる層間絶縁膜8との間で高い選択比が確保されるためである。これにより、層14A内のプラズマSiN膜15の表面に影響を与えることはない。
また、各開口間(接続部20)において、上の開口142の下部径を下の開口141の上部径よりも小さく形成するようにしたので、例えば開口142を形成する際のリソグラフィ工程でのレジストマスクの開口パターンと下の開口142との間で重ね合わせずれが生じたとしても、上の開口142の下部径14Bdが下の開口141の上部径14Adからはみ出してしまうようなことはなく、層間絶縁膜8を部分的にエッチングしてしまうことはない。
そして、この際においても、上述したと同様に開口142の深さ14Bhを、前段階で開口14Aを形成している分浅く形成できる。
【0053】
次に、図10Hに示すように、開口142を含んで層間絶縁膜8上の前面に層間絶縁膜8より高い屈折率を有する高屈折率層を形成する。この工程においても、図8Dに示した場合と同様に、例えば高密度プラズマCVD法によるSiN膜(所謂プラズマSiN膜)15を形成する。この際においても、上述したように開口142が浅いので、開口142内に良好にプラズマSiN膜を埋め込むことができる。
【0054】
次に、図10Iに示すように、CMP法またはエッチバック法を用いてプラズマSiN膜15を層間絶縁膜8の表面までエッチング除去する。この平坦化処理の際においても上述したと同様に、プラズマSiN膜15が層間絶縁膜8上に残存しないようにして行う。
この際においても、例えばCMP法を用いてプラズマSiN膜15のエッチング除去を行った場合は、プラズマSiN膜15が残存することなく層間絶縁膜8の上面が平坦化処理されるので、例えば次の工程で配線層を形成する際に、再び平坦化処理を行う必要がない。
これにより、プラズマSiN膜15が埋め込まれた層14Bが形成される。そして、先に形成された下層14Aと合わせて井戸14が形成される。
【0055】
次に、図11に示すように、層間絶縁膜8、井戸14内に埋め込まれたプラズマSiN膜15の表面を覆って全面にパッシベーション膜10を形成し、パッシベーション膜10上に平坦化膜11を形成した後、カラーフィルタ12を形成する。そして、カラーフィルタ12上において、受光センサ部4上の井戸14に対応する位置にオンチップレンズ13を形成する。
このようにして、図1に示す構造のCMOS型固体撮像素子を形成することができる。
【0056】
上述した本実施の形態に係る撮像素子の製造方法によれば、層間絶縁膜8中に開口141,142を形成し、各開口141,142にプラズマSiN膜15を埋め込む工程を複数回行うことにより井戸14を形成するので、例えば形成された各開口141,142のそれぞれの深さ14Ah及び14Bhを、例えば従来のような(全ての配線層を形成してから)1回で形成された開口の深さhに比べて浅く形成することができる。即ち、従来に比べてアスペクト比の低い開口を形成することができる。
これにより、プラズマCVD法を用いて高い屈折率を有するプラズマSiN膜15を各開口141,142内に埋め込む際に、プラズマSiN膜15を良好に埋め込むことができる。
【0057】
また、前の工程で形成する開口141の上部径14Adよりも、次の工程で形成する開口142の下部径14Bdを小さく形成するようにしたので、開口141,142の接続部20において不要な反射や屈折が生じてしまうことを防止できる。
【0058】
上述した実施の形態において、少なくとも1つの開口の側壁をテーパー形状に形成することもできる。
例えば、最上部に形成する開口142の側壁をテーパー形状とする場合は、図9Gに示す工程において、リソグラフィー技術を用いて開口142形成用のレジストパターンを形成する際、例えば露光条件を調整することによりレジストパターンをテーパー形状となるようにエッチングすることで実現できる。この際、C4F8ガスを用いれば、CF系埋積物による側壁保護膜形成効果によって良好なテーパー形状を容易に形成することができる。
【0059】
また、上述したように、例えばCMP法等により、層間絶縁膜8上のプラズマSiN膜15を除去する場合は、層間絶縁膜8とプラズマSiN膜15のそれぞれの平坦化処理を1回で行うことができる。
【0060】
上述した実施の形態では、2回に分けて開口を形成することで井戸14を形成するようにしたが、埋め込み性や配線層の数及び深さ等の兼ね合いによっては、3回以上に分けて開口を形成することもできる。
より多くの回数に分けて井戸14を形成した場合は、各開口でのプラズマSiN膜15の埋め込み性はさらに向上する。
【0061】
また、上述した実施の形態では、本発明をCMOS型固体撮像素子に適用した場合について説明したが、本発明はその他の固体撮像素子、例えばCCD固体撮像素子においても適用できるものである。
【0062】
尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【0063】
【発明の効果】
本発明の固体撮像素子によれば、高屈折率層が良好に埋め込まれてなる井戸を構成することができるので、従来と比較して井戸内での高屈折率層の埋め込み性、被覆性等が大幅に改善されて、信頼性の向上された固体撮像素子を提供することができる。
【0064】
また、接続部にて不要な反射や屈折が生じることがないので、入射光を漏れることなく受光センサ部内へと導くことができ、従来と比較して集光効率、感度特性がさらに向上された固体撮像素子を提供することができる。
【0065】
また、井戸の複数の層のうち、少なくとも1つの層の側壁をテーパー形状とした場合は、入射光を井戸内に入り易くすることができ、集光効率がさらに向上される。
【0066】
本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、各開口の深さを浅くして高屈折率層をそれぞれ良好に埋め込むことが可能となる。これにより高い集光効率を有する固体撮像素子を製造することができる。
【0067】
また、上の開口の下部径を、前の工程で形成した下の開口の上部径よりも小さく形成する場合には、不要な反射や屈折を生じる段差部が形成されないため、集光効率、感度特性が向上された固体撮像素子を製造することができる。
【0068】
さらに、少なくとも1つの開口の側壁をテーパー形状に形成する場合は、井戸内へ光を取り込み易くなるため、さらに集光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る固体撮像素子の構成を示す概略断面図である。
【図2】層間で生じる問題点を説明する拡大断面図である。
【図3】層間での各層の径を規定する説明図である。
【図4】図1に示す構成において、井戸の上層の側壁をテーパー形状とした場合を示す概略断面図である。
【図5】図1に示す構成において、井戸を3つの層で形成した場合を示す概略断面図である。
【図6】図5に示す構成において、井戸を2つの層の側壁をテーパー形状とした場合を示す概略断面図である。
【図7】A〜C 本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図(その1)である。
【図8】D〜E 本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図(その2)である。
【図9】F〜G 本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図(その3)である。
【図10】H〜I 本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図(その4)である。
【図11】本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図(その5)である。
【図12】従来の固体撮像素子の構成を示す概略断面図である。
【図13】A〜C 従来の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図(その1)である。
【図14】D〜E 従来の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図(その2)である。
【図15】F〜G 従来の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図(その3)である。
【図16】従来の問題点を説明する説明図である。
【符号の説明】
1・・・固体撮像素子、2・・・半導体基板、3・・・素子分離領域、4・・・受光センサ部、5・・・絶縁膜、6・・・転送ゲート、7・・・導電プラグ、8・・・層間絶縁膜、9(91,92)・・・配線層、10・・・パッシベーション膜、11・・・平坦化膜、12・・・カラーフィルタ、13・・・オンチップレンズ、14・・・井戸、141,142・・・開口、14A,14B・・・層、15・・・高屈折率層(プラズマSiN膜)、20・・・接続部、21・・・段差部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly, to a solid-state imaging device in which a well for increasing light collection efficiency is provided on a light receiving sensor unit and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a well in which a high refractive index layer is embedded in a low refractive index layer has been provided on a plurality of light receiving sensor portions including, for example, photodiodes constituting a pixel, and a critical angle of incident light from above the well is provided. A configuration is known in which incident light having a larger incident angle is totally reflected at the interface between the high refractive index layer and the low refractive index layer, thereby improving the light collection efficiency to the light receiving sensor unit. (See Patent Document 1).
[0003]
FIG. 12 shows a configuration of a solid-state imaging device having such a configuration, for example, a CMOS solid-state imaging device (CMOS sensor).
In the illustrated example, a cross-sectional view of one pixel of the CMOS type solid-state imaging device is shown.
In the CMOS type solid-state imaging device 30, a light receiving sensor unit 33 for receiving light is formed in a predetermined region in the semiconductor substrate 31 separated by the element isolation region 32, and insulation is provided at a predetermined position on the light receiving sensor unit 33. A transfer gate 35, a conductive plug 36, and a wiring layer 37 are formed in the interlayer insulating film 38 via the film 34.
[0004]
The wiring layer 37 is formed in two layers (371 and 372) in the illustrated example, and the wiring layers 371 and 372 are connected by a conductive plug. Above the uppermost wiring layer 372, a color filter 41 is formed on the interlayer insulating film 38 via a passivation film 39 and a planarizing film 40, and at a position corresponding to the light receiving sensor unit 33 on the color filter 41. An on-chip lens 42 is formed.
[0005]
A well 43 is formed in the interlayer insulating film 38 on the light receiving sensor portion 33 so as to connect the light receiving sensor portion 33 and the on-chip lens 42 to the lower end of the passivation film 39. A high refractive index layer (plasma SiN film) 44 having a higher refractive index (for example, n = 2.0) than that of the insulating film 38 is embedded. Reference numeral 45 denotes an etching stop film.
[0006]
In the CMOS type solid-state imaging device 30 having such a configuration, for example, light (arrow X in the figure) incident on the well 43 through the on-chip lens 42 reaches the light receiving sensor unit 33 until the high refractive index layer 44. Thus, total reflection is repeated at the interface between and the interlayer insulating film 38 and is guided to the light receiving sensor unit 33. Thereby, the light incident in the well 43 can be incident on the light receiving sensor unit 33 without leaking as much as possible.
[0007]
A method for manufacturing such a solid-state imaging device, particularly a method for forming the well 43, is shown in FIGS.
First, as shown in FIG. 13A, a light receiving sensor unit 33 that receives incident light is formed in a predetermined region in the semiconductor substrate 31 separated by the element isolation region 32, and an insulating film 34 is formed on the light receiving sensor unit 33. A description will be given from the formed state.
[0008]
Next, as shown in FIG. 13B, a transfer gate 35 is formed at a predetermined position via an insulating film 34, and an etching stopper film (for example, a SiN film) is formed on a portion corresponding to the light receiving sensor portion 33 by, for example, a low pressure CVD method. 45 is formed.
The etching stopper film 45 has a high etching selectivity with respect to the interlayer insulating film 38 in the step of forming the well 43 in the interlayer insulating film 38 on the light receiving sensor portion 33 described later (see FIG. 14D). Yes.
[0009]
Next, as shown in FIG. 13C, an interlayer insulating film 38 is formed on the entire surface covering the transfer gate 35, the etching stopper film 45, and the element isolation region 31, and after planarizing the surface, the conductive plug 36, A wiring layer 37 is formed. In the illustrated example, since the wiring layer 37 is formed in a two-layer structure (371, 372), the conductive plug 36 is first formed at a predetermined position in the interlayer insulating film 38, and then the planarized interlayer insulating film 38 is formed. A wiring layer 371 as the first layer is formed on the light receiving sensor unit 33 except for the region on the light receiving sensor unit 33. Next, the interlayer insulating film 38 is formed again on the entire surface covering the wiring layer 371, the surface is planarized, and the conductive plug 36 is formed at a predetermined position. As described above, the light receiving sensor section 33 is formed. A second wiring layer 372 is formed on the interlayer insulating film 38 except for the upper region. Then, an interlayer insulating film 38 is formed again on the entire surface covering the wiring layer 372, and the interlayer insulating film 37 is planarized.
Thus, the wiring layer 37 (371, 372) having a two-layer structure is formed.
[0010]
  Next, as shown in FIG. 14D, a resist film (not shown) is formed on the interlayer insulating film 38, and the resist film is formed on a resist mask having a well formation pattern using a known lithography technique. The interlayer insulating film 38 is removed by etching, for example, by anisotropic dry etching through this resist mask, and a well (so-called opening) 43 is formed at a corresponding position on the light receiving sensor portion 33.
  As a reactive gas used for anisotropic dry etching, for example,C 4 F 8 gasAr gas,O 2 gasEtc. can be used.
[0011]
Next, as shown in FIG. 14E, the resist mask is removed, and a high refractive index layer having a higher refractive index than the interlayer insulating film 38 is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 38 including the well 43. As this high refractive index layer, for example, a SiN film (so-called plasma SiN film) 44 using a high density plasma CVD method is formed.
[0012]
Next, as shown in FIG. 15F, the plasma SiN film 44 is removed up to the surface of the interlayer insulating film 38 using, for example, a CMP method or an etch back method, and a planarization process is performed.
[0013]
Next, as shown in FIG. 15G, a passivation film 39, a planarizing film 40, and a color filter 41 are sequentially formed on the entire surface including the interlayer insulating film 38 and the plasma SiN film 44 embedded in the well 43. An on-chip lens 42 is formed at a position corresponding to the light receiving sensor portion 33 of the color filter 41, that is, above the well 44.
In this way, the CMOS type solid-state imaging device 30 having a configuration for improving the light collection efficiency is formed.
[0014]
[Patent Document 1]
JP 2000-150845 A
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the CMOS type solid-state imaging device 30 as described above, since the wiring layers 37 are formed in multiple layers (in the illustrated example, the first wiring layer 371 and the second wiring layer 372), all the wiring layers 37 are formed. When the well (opening) 43 is formed from the outermost surface layer to the light receiving sensor portion 33 after the formation (see FIG. 14D), the depth h of the well 43 is formed deep (for example, h = 5 μm).
Further, along with the recent demand for miniaturization, for example, when miniaturization is attempted with such a CMOS solid-state imaging device, the pixels themselves are further reduced, so the diameter (width) d of the well 43 is further reduced. Will be formed. Therefore, the well 43 having a very high aspect ratio is formed.
[0016]
Thus, when the well 43 having a high aspect ratio is formed, when the SiN film 44 is embedded in the well 43 by, for example, a high-density plasma CVD method in the next step (see FIG. 14E), FIG. As shown in FIG. 16, there is a problem that a cavity (so-called void) 46 is formed in the well 43.
[0017]
Such a problem occurs when the high density plasma CVD method is used when embedding the SiN film 44 in the well 43, and the formation of the buried material in the vicinity of the entrance of the well 43 is a region behind the well 43. This is because it is faster than.
As a result, the vicinity of the entrance of the well 43 is gradually blocked, the supply of radicals as film formation species to the inside of the well 43 is reduced, the vicinity of the entrance of the well 43 is completely blocked, and the inside of the well 43 Thus, a void 46 is formed.
[0018]
Thus, when the cavity 46 is formed in the well 43, reflection and refraction are caused by the cavity 46, so that the light condensing effect is deteriorated and sensitivity characteristics are varied.
[0019]
Conventionally, it is contained in the plasma SiN film 44 by, for example, an annealing process in order to reduce the interface state in the light receiving sensor unit 33 or to repair the disorder of the crystal lattice and suppress the generation of white spots. However, when the cavity 46 is formed, the volume of the plasma SiN film 44 is reduced accordingly, so that the supply rate of hydrogen to the light receiving sensor unit 33 is increased. As a result, the effect of suppressing the occurrence of white spots is reduced.
[0020]
In the future, unless the wiring structure is further multilayered (for example, 5 to 7 layers), it will not be possible to meet the demands for increasing the number of pixels and miniaturizing the element size. It is considered that the burying property of the SiN film 44 is further deteriorated.
[0021]
Thus, the problem that the cavity 46 is formed in the well 43 is that not only the CMOS solid-state image pickup device (CMOS sensor) 30 as described above but also the aspect ratio of the CCD solid-state image pickup device with the miniaturization of the pixel, for example. Since it becomes high, it is conceivable that the same occurs.
[0022]
In view of the above-described points, the present invention provides a solid-state imaging device capable of causing light to enter a light receiving sensor unit with high light collection efficiency even when a wiring layer is multilayered or a pixel is miniaturized, and a method for manufacturing the same. It is to provide.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  The solid-state imaging device according to the present invention is provided on the light receiving sensor unitIn order to cause incident light to be totally reflected at the interface between the high refractive index layer and the low refractive index layer and to be condensed on the light receiving sensor part,A well in which a high refractive index layer is embedded in a low refractive index layer is provided, and the well is constituted by a plurality of layers having different diameters. Also, the lower layer of the upper layer is formed to have a small diameter.
[0024]
According to the solid-state imaging device according to the present invention, since the well is composed of a plurality of layers having different diameters, the depth of each layer is shallow, so that the high refractive index layer can be satisfactorily embedded, and the cavity Can be prevented. In addition, in the layers adjacent to each other among the plurality of layers, the lower diameter of the upper layer is smaller than the upper diameter of the lower layer, so that the lower layer is wide at the stepped portion between each layer, and unnecessary reflection or refraction does not occur at this stepped portion. Therefore, the light can be sufficiently condensed on the light receiving sensor unit.
[0025]
  The manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present invention, on the light receiving sensor unit,In order to cause incident light to be totally reflected at the interface between the high refractive index layer and the low refractive index layer and to be condensed on the light receiving sensor part,A method of manufacturing a solid-state imaging device provided with a well formed by embedding a high refractive index layer in a low refractive index layer, forming the low refractive index layer so as to cover a surface, and forming the low refractive index layer on the low refractive index layer Forming the well by forming an opening and embedding the high refractive index layer in the opening a plurality of timesTo do.
[0026]
According to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, the opening is formed in the low refractive index layer, and the step of embedding the high refractive index layer in the opening is performed a plurality of times to form the well. It is possible to embed the high refractive index layer satisfactorily by reducing the depth of the film. This eliminates cavities in the embedded high refractive index layer.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As an embodiment of the present invention, FIG. 1 shows a schematic configuration when the present invention is applied to a CMOS solid-state imaging device (CMOS sensor).
In the illustrated example, a cross section corresponding to one pixel of the CMOS type solid-state imaging device is shown.
In the CMOS type solid-state imaging device 1 according to the present embodiment, a light receiving sensor unit 4 that receives incident light is formed in a predetermined region in the semiconductor substrate 2 separated by the element isolation region 3. At a predetermined position, a transfer gate 6 and a conductive plug 7 connected to a wiring layer described later are formed in the interlayer insulating film 8 through the insulating film 5.
[0028]
In the illustrated example, the wiring layer 9 is formed in two layers (a first wiring layer 91 and a second wiring layer 92), and the wiring layers 91 and 92 are connected by a conductive plug 7. Above the uppermost wiring layer 92, a color filter 12 is formed on the interlayer insulating film 8 via a passivation film 10 and a planarizing film 11, and at a position corresponding to the light receiving sensor unit 4 on the color filter 12. An on-chip lens 13 is formed.
[0029]
On the light receiving sensor unit 4, a well 14 is formed up to the lower end of the passivation film 10 so as to connect the light receiving sensor unit 4 and the on-chip lens 13, and a refractive index higher than the interlayer insulating film 8 (in the well 14). A high refractive index layer (for example, a plasma SiN film formed by a high-density plasma CVD method) 15 having n = 2.0) is embedded. Reference numeral 16 denotes an interlayer insulating film (for example, SiO 22An etching stop film (for example, a SiN film) having a high selectivity with respect to the film 8).
As a result, the CMOS solid-state imaging device 1 having a structure in which the light collection efficiency of incident light is increased is configured.
[0030]
In this embodiment, in particular, the well 14 is configured by a plurality of layers.
In the present embodiment, the well 14 is configured by two layers 14A and 14B, for example. The upper surface of the layer 14A is formed so as to be flush with the upper surface of the flattened interlayer insulating film 8 indicated by a broken line below the wiring layer 91, for example. Further, the upper surface of the layer 14B is formed so as to be flush with the upper surface of the planarized interlayer insulating film 8 below the passivation film 10, for example.
[0031]
With this configuration, for example, the well 43 is not formed by embedding the high refractive index layer 44 in one deep hole as in the prior art (see FIG. 12), but the high refractive index layer 15 is formed in the hole. Since the well 14 is formed by having a plurality of layers 14A and 14B embedded with, the embedding property of the plasma SiN film 15 in each layer 14A and 14B is better than the embedding property of the conventional plasma SiN film. Thus, no cavities are generated in the plasma SiN film 15.
[0032]
By the way, since the well 14 is formed of the plurality of layers 14A and 14B in this way, there is a concern about a problem of displacement between layers, for example.
For example, when a resist mask for forming the second layer 14B is formed by using the lithography technique, when an overlay shift occurs with the first layer 14A, an enlarged view of the vicinity of the interlayer is shown in FIG. As shown, a step 21 is formed at the connecting portion 20 of the layers 14A and 14B on the side walls of the layers 14A and 14B that are continuous in the vertical direction.
[0033]
As described above, when the step 21 is formed in the connection portion 20 between the layers 14A and 14B, for example, light (arrow X in the figure) incident from the upper portion of the well 14 is a plasma SiN film embedded in the inside. 15 enters the interlayer insulating film 8, so that depending on the incident angle, the light is refracted at the step 21 and proceeds into the interlayer insulating film 8 (arrow Y in the figure), or the light is totally reflected at the step 21. Then, it proceeds upward in the well 14 and diffuses from the surface to the outside (arrow Z in the figure). Alternatively, the light is totally reflected again at the interface between the surface of the well 14 and the upper layer (for example, the passivation film 10), and returns to the well 14 again.
Thus, it is clear that the formation of the step 21 reduces the light condensing property of the incident light to the light receiving sensor unit 4 and decreases the light condensing efficiency.
[0034]
Therefore, in the present embodiment, the diameters of the adjacent layers 14A and 14B are made different. That is, as shown in FIG. 3, the lower diameter Bd of the upper layer 14B is formed smaller than the upper diameter Ad of the lower layer 14A. Thereby, the fall of the condensing efficiency mentioned above can be improved.
In this case, although the connecting portion 20 has a step, the upper diameter Ad of the lower layer is wider in the connecting portion 20, so that unnecessary reflection or refraction as shown in FIG. 2 does not occur.
[0035]
In this way, in order to form the lower diameter Bd of the upper layer 14B smaller than the upper diameter Ad of the lower layer 14A, the mask diameter may be reduced accordingly. At this time, since the maximum amount of deviation that occurs in the lithography process is about 0.1 μm, the lower diameter Bd is smaller than the upper diameter Ad of the lower layer 14A, for example, in the lithography process when forming the upper layer 14B. ... 2 μm (0.1 × 2) may be controlled.
Thereby, the level | step difference 21 which arises in the connection part 20 between each layer 14A, 14B as mentioned above can be avoided.
[0036]
According to the solid-state imaging device 1 of the present embodiment, for example, a high refractive index layer 15 is buried in a hole, instead of a well formed by embedding a high refractive index layer in one deep hole as in the prior art. Since the well 14 is formed by having a plurality of layers 14A and 14B, the embedding property of the plasma SiN film 15 in each of the layers 14A and 14B is similar to the embedding property of the plasma SiN film in one conventional layer 47. It is better than that. Thereby, it is possible to provide a solid-state imaging device having a well with good filling property in which no cavity is generated in the plasma SiN film 15.
[0037]
Moreover, since the lower diameter Bd of the upper layer 14B is formed smaller than the upper diameter Ad of the lower layer 14A between the layers 14A and 14B (connection portion 20), unnecessary reflection and refraction do not occur in the connection portion 20. It is possible to provide a solid-state imaging device in which light collection efficiency is not reduced.
[0038]
Further, in order to reduce the interface state in the light receiving sensor unit 4 or repair the disorder of the crystal lattice and suppress the generation of white spots, for example, hydrogen contained in the plasma SiN film 15 is removed by annealing treatment. When supplying the light receiving sensor unit 4, the plasma SiN film 15 in the well 14 does not have a cavity and has a sufficient volume. Therefore, a sufficient amount of hydrogen is supplied from the plasma SiN film 15 to the light receiving sensor unit 4. And the effect of suppressing the occurrence of white spots can be sufficiently exhibited.
[0039]
In addition, when a cavity is formed in the well, the coverage of the high refractive index layer in the well is poor and the high refractive index layer is easily peeled off. Therefore, the coverage of the high refractive index layer 15 in the well 14 can be improved.
[0040]
In the above-described embodiment, the side wall of at least one of the plurality of layers 14A and 14B constituting the well 14 may be formed in a tapered shape.
For example, as shown in FIG. 4, in the above-described embodiment, when the side wall of the uppermost layer 14B is tapered, the light is introduced into the well 14 as compared with the configuration shown in FIG. Can be easily incorporated. Further, the embedding property of the plasma SiN film 15 in the layer 14B is further improved.
[0041]
In the above-described embodiment, the well 14 is formed by the two layers 14A and 14B. However, as another embodiment, the well 14 is formed by, for example, three layers 14A, 14B, and 14C. The configuration is shown in FIG.
In the present embodiment, for example, the upper surfaces of the respective layers 14A, 14B, and 14C are flush with the upper surface of the flattened interlayer insulating film 8 indicated by a broken line below the first wiring layer 91, and the second wiring layer 92. It is formed so as to be flush with the upper surface of the flattened interlayer insulating film 8 indicated by the lower broken line and flush with the upper surface of the flattened interlayer insulating film 8 below the passivation film 10. That is, the upper surface of each layer 14A, 14B, 14C and the flattened upper surface of the interlayer insulating film 8 are formed on the same surface.
Since the other parts are the same as those in FIG. 1, the corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0042]
In the case of such a configuration, the layers 14B and 14C become shallow and the embedding property of the plasma SiN film 15 in each layer 14B and 14C is improved. Therefore, in the well 14 as compared with the configuration shown in FIG. Improves embedability.
[0043]
Further, for example, as shown in FIG. 6, in the configuration shown in FIG. 5 described above, when the side walls of the layers 14B and 14C are each tapered, in addition to the above-described operational effects, the light receiving sensor unit 4 starts the on-chip lens It is possible to prevent the diameters (upper diameters) of the layers 14A, 14B, and 14C formed upward to 13 from gradually decreasing. Further, the embedding property of the plasma SiN film 15 in the layers 14B and 14C is improved, and further, the embedding property in the well 14 is improved.
[0044]
Next, an embodiment of a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, a method for manufacturing the CMOS solid-state imaging device shown in FIG. 1 will be described. In the illustrated example, a cross-sectional view corresponding to one pixel of the CMOS type solid-state imaging device is shown, and the same reference numerals are given to the portions corresponding to FIG. First, as shown in FIG. 7A, a light receiving sensor unit 4 that receives incident light is formed in a predetermined region (element forming region) in the semiconductor substrate 2 separated by the element isolation region 3. Then, the insulating film 5 is formed.
[0045]
Next, as shown in FIG. 7B, a transfer gate 6 and an etching stopper film 16 are formed on the light receiving sensor portion 4 via an insulating film 5.
Here, as the etching stopper film 16, when the opening 141 is formed in the interlayer insulating film 8 on the next etching stopper film 16, SiO 22A SiN film that can ensure a high etching selectivity with respect to the interlayer insulating film 8 made of a film is used. This SiN film can be formed by using, for example, a low pressure CVD method.
[0046]
  Next, an interlayer insulating film 8 is formed on the entire surface including the transfer gate 6, the etching stopper film 16, and the element isolation region 2, and a resist film (not shown) is further formed on the interlayer insulating film 8. Then, after forming a resist film on a resist mask having a pattern for forming the opening 141 using a known lithography technique, the interlayer insulating film 8 is removed by anisotropic dry etching through this resist mask.
  After that, by removing the resist mask, an opening 141 is formed in the interlayer insulating film 8 as shown in FIG. 7C.
  Anisotropic dry etching is processed with a parallel plate type etcher.C 4 F 8 gasAr gas,O 2 gasEtc. can be used. When such a reactive gas is used, a high selection ratio can be secured between the interlayer insulating film 8 and the etching stopper film 16.
[0047]
At this time, as described above, since the etching stopper film 16 formed on the light receiving sensor portion 4 has a high selection ratio with the interlayer insulating film 8, the etching of the interlayer insulating film 8 is performed with the etching stopper film. It stops when it reaches 16 and does not affect the surface of the light receiving sensor unit 4. Further, for example, the depth 14Ah of the opening 141 can be uniformly formed for each pixel without variation.
As a result, since the opening 141 is formed before the wiring layer 9 described later is formed, the depth 14Ah of the opening 141 is reduced compared to the case where the opening is formed after all the wiring layers are formed. It can be formed shallow. That is, an opening 141 having a low aspect ratio is formed.
[0048]
Next, as shown in FIG. 8D, after the etching stopper film 16 exposed in the opening 141 is removed by, for example, isotropic dry etching, the interlayer insulating film is formed on the front surface of the interlayer insulating film 8 including the opening 141. A high refractive index layer 15 having a refractive index higher than 8, for example, a SiN film (plasma SiN film) 15 by a high density plasma CVD method is formed.
For isotropic etching when removing the etching stopper film 16, for example, chemical dry etching using downflow plasma can be used.
At this time, since the depth 14Ah of the opening 141 is shallow as described above, the plasma SiN film can be satisfactorily embedded without forming a cavity in the opening 141.
[0049]
Next, as shown in FIG. 8E, the plasma SiN film 15 is etched away to the surface of the interlayer insulating film 8 by using, for example, a CMP method or an etch back method.
At this time, it is necessary to perform etching removal so that the plasma SiN film 15 does not remain on the interlayer insulating film 8. This is because, when the plasma SiN film 15 remains on the interlayer insulating film 8, there is a possibility that incident light may be reflected in the plasma SiN film 15 and enter an adjacent pixel to be affected.
Here, for example, when the plasma SiN film 15 is removed by etching using the CMP method, the upper surface of the interlayer insulating film 8 is flattened without the plasma SiN film 15 remaining. There is no need to perform the planarization process again when forming the layer.
Thereby, the layer 14A in which the plasma SiN film 15 is embedded is formed.
[0050]
Next, as shown in FIG. 9F, the conductive plug 7 and the wiring layer 9 are formed.
First, the conductive plug 7 is formed at a predetermined position in the interlayer insulating film 8, and the wiring layer 91 as the first layer is formed on the planarized interlayer insulating film 8. Then, the interlayer insulating film 8 is formed again on the entire surface including the wiring layer 91, and after performing the planarization process, the conductive plug 7 is formed at a predetermined position, and the second layer wiring on the interlayer insulating film 8 is formed. Layer 92 is formed. Then, the interlayer insulating film 8 is formed again on the entire surface including the wiring layer 92, and the interlayer insulating film 8 is planarized. In this way, the wiring layer 9 (first wiring layer 91 and second wiring layer 92) having a two-layer structure is formed.
In the present embodiment, the wiring layer 9 has a two-layer structure. For example, when the number of the wiring layers 9 is increased to three, four, five, six, seven, and so on, such a process is performed. Is repeated.
[0051]
Next, a resist film (not shown) is formed on the interlayer insulating film 8, and the resist film is formed on a resist mask having a pattern for forming the opening 142 by using a lithography technique.
At this time, the pattern for forming the opening 142 corresponds to, for example, a shift amount (maximum 0.2 μm) in the lithography process, and the lower opening 141 whose lower diameter 14Bd is formed in the previous process (see FIG. 7C). It is formed to be smaller than the upper diameter 14Ad.
Here, there is a difference of about 0.2 μm between the opening diameters of the openings 141 and 142. Since the difference is as small as 0.2 μm in this way, for example, the resist mask used when forming the opening 141 is used. The same mask pattern can be used. That is, the opening diameter can be adjusted only by control in the lithography process.
Then, the interlayer insulating film 8 is removed by anisotropic dry etching through this resist mask.
Thereafter, by removing the resist mask, an opening 142 is formed in the interlayer insulating film 8 as shown in FIG. 9G.
[0052]
  At this time, the plasma SiN film 15 in the lower layer 14A functions as an etching stopper. This is the same as described above as a reactive gas used for anisotropic dry etching.C 4 F 8 gasAr gas,O 2 gasThis is because a high selection ratio is ensured between the plasma SiN film 15 in the layer 14A and the interlayer insulating film 8 to be etched. Thereby, the surface of the plasma SiN film 15 in the layer 14A is not affected.
  In addition, since the lower diameter of the upper opening 142 is formed smaller than the upper diameter of the lower opening 141 between the openings (connecting portion 20), for example, a resist in the lithography process when forming the opening 142 is formed. Even if an overlay shift occurs between the opening pattern of the mask and the lower opening 142, the lower diameter 14Bd of the upper opening 142 does not protrude from the upper diameter 14Ad of the lower opening 141. The insulating film 8 is not partially etched.
  Also in this case, as described above, the depth 14Bh of the opening 142 can be formed as shallow as the opening 14A is formed in the previous stage.
[0053]
Next, as shown in FIG. 10H, a high refractive index layer having a higher refractive index than the interlayer insulating film 8 is formed on the front surface of the interlayer insulating film 8 including the opening 142. Also in this step, similarly to the case shown in FIG. 8D, a SiN film (so-called plasma SiN film) 15 is formed by, for example, a high-density plasma CVD method. Also in this case, since the opening 142 is shallow as described above, the plasma SiN film can be satisfactorily embedded in the opening 142.
[0054]
Next, as shown in FIG. 10I, the plasma SiN film 15 is etched away to the surface of the interlayer insulating film 8 by using a CMP method or an etch back method. Also in the planarization process, the plasma SiN film 15 is not left on the interlayer insulating film 8 as described above.
Also in this case, for example, when the plasma SiN film 15 is removed by etching using the CMP method, the upper surface of the interlayer insulating film 8 is planarized without the plasma SiN film 15 remaining. When the wiring layer is formed in the process, it is not necessary to perform the planarization process again.
Thereby, the layer 14B in which the plasma SiN film 15 is embedded is formed. Then, the well 14 is formed together with the previously formed lower layer 14A.
[0055]
Next, as shown in FIG. 11, a passivation film 10 is formed over the entire surface of the interlayer insulating film 8 and the plasma SiN film 15 embedded in the well 14, and the planarizing film 11 is formed on the passivation film 10. After the formation, the color filter 12 is formed. Then, an on-chip lens 13 is formed on the color filter 12 at a position corresponding to the well 14 on the light receiving sensor unit 4.
In this way, a CMOS solid-state imaging device having the structure shown in FIG. 1 can be formed.
[0056]
According to the method of manufacturing the image sensor according to the present embodiment described above, the process of forming the openings 141 and 142 in the interlayer insulating film 8 and embedding the plasma SiN film 15 in each of the openings 141 and 142 is performed a plurality of times. Since the well 14 is formed, for example, the respective depths 14Ah and 14Bh of the formed openings 141 and 142 are set to be the same as that of the openings formed once (for example, after all the wiring layers are formed). It can be formed shallower than the depth h. That is, it is possible to form an opening having a lower aspect ratio than in the prior art.
Thereby, when the plasma SiN film 15 having a high refractive index is embedded in each of the openings 141 and 142 using the plasma CVD method, the plasma SiN film 15 can be embedded satisfactorily.
[0057]
In addition, since the lower diameter 14Bd of the opening 142 formed in the next process is formed smaller than the upper diameter 14Ad of the opening 141 formed in the previous process, unnecessary reflection is caused in the connection portion 20 of the openings 141 and 142. Or refraction can be prevented.
[0058]
In the above-described embodiment, the side wall of at least one opening can be formed in a tapered shape.
For example, when the side wall of the opening 142 formed at the top is tapered, in the process shown in FIG. 9G, for example, the exposure conditions are adjusted when forming a resist pattern for forming the opening 142 using the lithography technique. This can be realized by etching the resist pattern to have a tapered shape. At this time, if C4F8 gas is used, a good taper shape can be easily formed due to the sidewall protective film forming effect of the CF-based buried material.
[0059]
Further, as described above, when the plasma SiN film 15 on the interlayer insulating film 8 is removed by, for example, the CMP method, the planarization process for the interlayer insulating film 8 and the plasma SiN film 15 is performed once. Can do.
[0060]
In the above-described embodiment, the well 14 is formed by forming the opening in two steps. However, depending on the balance of the embedding property, the number of wiring layers, the depth, and the like, the well 14 is divided into three or more times. An opening can also be formed.
When the wells 14 are formed by dividing the number of times, the burying property of the plasma SiN film 15 in each opening is further improved.
[0061]
In the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a CMOS solid-state imaging device has been described. However, the present invention can also be applied to other solid-state imaging devices such as a CCD solid-state imaging device.
[0062]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
[0063]
【The invention's effect】
According to the solid-state imaging device of the present invention, since a well in which a high refractive index layer is satisfactorily embedded can be formed, the embedding property, covering property, etc. of the high refractive index layer in the well as compared with the conventional case. Is significantly improved, and a solid-state imaging device with improved reliability can be provided.
[0064]
In addition, since unnecessary reflection and refraction do not occur at the connection part, incident light can be guided into the light receiving sensor part without leaking, and the light collection efficiency and sensitivity characteristics are further improved compared to the conventional case. A solid-state imaging device can be provided.
[0065]
In addition, when the side wall of at least one layer among the plurality of layers of the well is tapered, incident light can easily enter the well, and the light collection efficiency is further improved.
[0066]
According to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, it is possible to satisfactorily embed the high refractive index layer by reducing the depth of each opening. Thereby, a solid-state imaging device having high light collection efficiency can be manufactured.
[0067]
In addition, when the lower diameter of the upper opening is made smaller than the upper diameter of the lower opening formed in the previous step, there is no stepped portion that causes unnecessary reflection or refraction, so the light collection efficiency and sensitivity A solid-state imaging device with improved characteristics can be manufactured.
[0068]
Furthermore, when the side wall of at least one opening is formed in a tapered shape, light can be easily taken into the well, so that the light collection efficiency can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view illustrating a problem that occurs between layers.
FIG. 3 is an explanatory diagram for defining the diameter of each layer between layers.
4 is a schematic cross-sectional view showing a case where the upper side wall of the well has a tapered shape in the configuration shown in FIG. 1;
5 is a schematic cross-sectional view showing a case where a well is formed of three layers in the configuration shown in FIG.
6 is a schematic cross-sectional view showing a case in which the side walls of two layers are tapered in the configuration shown in FIG.
FIGS. 7A to 7C are manufacturing process diagrams (part 1) illustrating a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention. FIGS.
FIGS. 8A to 8E are manufacturing process diagrams (part 2) illustrating the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present invention. FIGS.
FIGS. 9A to 9G are manufacturing process diagrams (part 3) illustrating the method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present invention. FIGS.
FIG. 10 is a manufacturing process diagram (part 4) illustrating the method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 11 is a manufacturing process diagram (part 5) illustrating the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the invention;
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a conventional solid-state imaging device.
FIGS. 13A to 13C are manufacturing process diagrams (part 1) showing a conventional method for manufacturing a solid-state imaging device; FIGS.
FIGS. 14A to 14E are manufacturing process diagrams (part 2) illustrating a conventional method for manufacturing a solid-state imaging device; FIGS.
FIGS. 15A to 15G are manufacturing process diagrams (part 3) illustrating a conventional method for manufacturing a solid-state imaging device; FIGS.
FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining a conventional problem.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid-state image sensor, 2 ... Semiconductor substrate, 3 ... Element isolation region, 4 ... Light-receiving sensor part, 5 ... Insulating film, 6 ... Transfer gate, 7 ... Conductivity Plugs, 8 ... interlayer insulating film, 9 (91, 92) ... wiring layer, 10 ... passivation film, 11 ... flattening film, 12 ... color filter, 13 ... on-chip Lens, 14 ... well, 141, 142 ... opening, 14A, 14B ... layer, 15 ... high refractive index layer (plasma SiN film), 20 ... connection, 21 ... step Part

Claims (5)

受光センサ部上に、入射光を高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射させて前記受光センサ部に集光させるために、前記高屈折率層が前記低屈折率層中に埋め込まれてなる井戸が設けられ、
前記井戸が径の異なる複数の層により構成され、
前記複数の層のうち互いに隣接する層において、下層の上部径よりも上層の下部径が小さく形成されてなる
ことを特徴とする固体撮像素子。
On the light receiving sensor unit, the incident light to be condensed on the light receiving sensor section by total reflection at the interface between the high refractive index layer and a low refractive index layer, wherein said high refractive index layer in the low refractive index layer There is a buried well,
The well is composed of a plurality of layers having different diameters,
A solid-state imaging device, wherein in the layers adjacent to each other among the plurality of layers, the lower diameter of the upper layer is formed smaller than the upper diameter of the lower layer.
前記複数の層のうち少なくとも1つの層の側壁がテーパー形状に形成されていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。  The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a side wall of at least one of the plurality of layers is formed in a tapered shape. 受光センサ部上に、入射光を高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射させて前記受光センサ部に集光させるために、前記高屈折率層が前記低屈折率層中に埋め込まれてなる井戸が設けられた固体撮像素子を製造する方法であって、
表面を覆って前記低屈折率層を形成し、前記低屈折率層に開口を形成し、前記開口に前記高屈折率層を埋め込む工程を複数回行うことにより、前記井戸を形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
On the light receiving sensor unit, the incident light to be condensed on the light receiving sensor section by total reflection at the interface between the high refractive index layer and a low refractive index layer, wherein said high refractive index layer in the low refractive index layer A method of manufacturing a solid-state imaging device provided with a buried well,
The well is formed by forming the low refractive index layer so as to cover a surface, forming an opening in the low refractive index layer, and embedding the high refractive index layer in the opening a plurality of times. A method for manufacturing a solid-state imaging device.
複数回の前記工程において、前の工程で形成する開口の上部径よりも次の工程で形成する開口の下部径を小さくすることを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子の製造方法。  4. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 3, wherein, in the plurality of steps, the lower diameter of the opening formed in the next step is made smaller than the upper diameter of the opening formed in the previous step. 複数回の前記工程において形成する開口のうち、少なくとも1つの開口の側壁をテーパー形状にすることを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子の製造方法。  4. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 3, wherein a side wall of at least one of the openings formed in the plurality of steps is tapered.
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